Сосна в качестве тест-объекта в радио-

И общеэкологических исследованиях

Цель работы: экспресс-оценка качества воздуха по состоя­нию хвои Pinus syivestris.

Материалы и оборудование: Для выбора подходящих деревьев (тест-объектов для определе­ния степени усыхания и повреждения хвои в полевых условиях) в аудиторных – стенды с хвоей разной степени поврежденности.

Краткая теория:

Индикаторные растения могут использоваться как для выявления отдельных загрязнений воздуха, так и для оценки общего состояния воздушной среды.

Факт исключительно высокой радиочувствительности хвойных древесных пород был отмечен во многих исследованиях зарубежных и российских ученых (табл. 1.1). Так, на территории Восточно-Уральского радиоактивного следа (ВУРС) сосна погибла на участке с плотностью радиоактивного загрязнения более 6,7•10¹⁴ Бк*/км^{2 (}поглощенные дозы 30—40 Гр**).

*Беккерель (Бк) – единица активности нуклида в радиоактивном источнике И.

**Грей (Гр) – единица поглощенной дозы в СИ. Это количество энергии ионизирующего излучения, поглощенной единицей массы физического тела.

Сосна по радиочувствительности близка к человеку (LD₅₀ = 20 Гр), поэтому она является одним из основных природных тест-систем в радио - и общеэкологических исследованиях. Радиационные эффекты оцениваются по следующим критериям: гибель и восстановление деревьев; сроки восстановления; морфологические изменения хвои и побегов; количественные характеристики (радиальный и вертикальный прирост, масса и размер хвои и побегов). Репродуктивная способность оценивается по из­менчивости семян.

Таблица 1.1

Радиационные эффекты в растительном сообществе

(Д. А. Криволуцкий, 1988)

 

Характер поражения	Доза облучения, Гр
весной	осенью	хроническое облучение
Гибель голосеменных
Частичное угнетение травянистых растений
Поражение лиственных деревьев	-
Гибель лиственных деревьев	-
Частичная гибель травянистых растений
Полная гибель растительности (по литературным данным)			-

 

Большинство выявленных морфологических изменений (морфозов) сосны, которая произрастала в радиоактивно загрязнен­ных районах, связаны с изменениями в меристемных тканях – это группа клеток в стадии активного деления и роста. Такая ткань представляет собой два типа клеток: одна с высокой репродуктивной способностью, другая с различной степенью дифференциации. Известно, что чувствительность клеток прямо пропорциональна степени их дифференциации. Именно поэтому при высо­ких дозах облучения наблюдаются гибель верхушечных побегов и появление побегов из боковых почек, находящихся на ранних ста­диях дифференциации. Более глубокие причины различий радиочувствительности меристемных тканей следует связать с био­химическими нарушениями в метаболизме клеток. При радиоак­тивном облучении наблюдаются: гибель почек, хвои, побегов; торможение роста побегов и хвои; двойной прирост в течение одного года вегетации; неравномерный рост хвои на побегах; укороченность побегов при интенсивном росте хвои («метлообразные» побеги); многопочечность (появление на побегах верхних мутовок до 30 почек вместо 5–6 в норме); нарушение ориента­ции хвои и побегов в пространстве (появление «мятой» хвои); искривление побегов; изменение формы хвои; появление гиган­тизма и карликовости побегов и хвои. Известно, что репродук­тивные органы сосны обыкновенной более чувствительны к об­лучению, чем вегетативные. Особенно высокой радиочувствительностью обладают мужские генеративные органы. Подтверждение этому специалисты наблюдали в зоне сильного и среднего ра­диоактивного загрязнения после аварии на Чернобыльской АЭС: мужские цветки отсутствовали в течение первых двух лет после аварии, женские цветки также были частично или полностью поражены.

Хвойные породы, помимо их высокой радиочувствительности, особенно сильно страдают от сернистого газа. Чувствительность к нему убывает в последовательности: ель – пихта – сосна веймутова и обыкновенная – лиственница. Продолжительность жизни хвои сосны в нормальных условиях составляет 3–4 года. За это время она накапливает такое количество сернистого газа, которое существенно превышает пороговое значение. Под влиянием токсиканта хвоя сосны в зонах сильного загрязнения становится темно-красной, окраска распространяется от основания иглы к ее острию, и, просуществовав всего один год, хвоя отмирает и опадает. Лиственница, ежегодно сбрасывающая хвою, значительно устойчивее к сернистому газу. Поэтому по продолжительности жизни хвои сосны и характеру некрозов можно определить сте­пень поражения сосновых насаждений сернистым газом.

По наблюдению ученых толщина воскового слоя на хвое сосны тем больше, чем выше концентрация или продолжительность воз­действия на нее сернистого газа. Это послужило основанием для разработки количественного метода индикации данного соедине­ния в атмосфере. Суть метода «помутнения по Гертелю» заключа­ется в том, что степень помутнения экстракта хвои прямо про­порциональна количеству воска, покрывающего хвою. Чем выше мутность, устанавливаемая фотоколориметрически, тем больше концентрация сернистого газа в воздухе. Однако современные ис­следования показали, что помутнение водного экстракта из хвои вызвано не только воском, но и целым рядом других веществ, присутствующих в растительных тканях. В связи с этим возникли сомнения относительно достоверности результатов теста по Гер­телю. По этой причине, возможно, следует определять не интенсивность помутнения экстракта, а непосредственно содер­жание воска в растительном материале.

Вместе с тем двуокись серы вызывает у сосны обыкновенной характерные изменения в содержании фенолъных соединений, которые наблюдаются задолго до появления видимых симптомов повреждения

Принцип предложенного в лабораторной работе метода осно­ван на выявленной зависимости степени повреждения хвои (не­крозов и усыхания) от загрязнения воздуха в районе произраста­ния сосны обыкновенной.

Ход работы:

А) В полевых условиях

1. Выбрать сосенки высотой 1-1,5 м на открытой местности с 8-15 боковыми побегами. Выборку хвои необходимо делать с не­скольких близко растущих деревьев на площади 10х10 м². В блокнот вносятся сведения о месте сбора и наличии вблизи возможно­го интенсивного движения транспорта; указывается также время осмотра хвои. Очень важен при выборе деревьев показатель вытоптанности участка произрастания сосны. Степень вытоптанности участка оценивается баллами 1-4: 1 – вытаптывания нет; 2 – вытоптаны тропы; 3 – нет ни травы, ни кустарников; 4 – осталось немного травы вокруг деревьев. При вытоптанности территории, оцениваемой баллами 3 и 4, экспресс-оценка воздушного загрязнения невозможна.

2. Осмотреть у каждого дерева хвоинки предыдущего года (вторые сверху мутовки). Если деревья очень большие, то обследование проводить на боковом побеге в четвертой сверху мутовке (рис. 1). Всего собирают или осматривают не менее 30 хвоинок. Шипик хвоинки всегда светлее. Он не оценивается. По степени по­вреждения и усыхания хвои выделяют несколько классов (табл. 1.2).

Рис. 1. Участок побега, на котором проводят обследование хвои для экспресс-анализа качества воздуха

Таблица 1.2.

Классы повреждения и высыхания хвои

Классы повреждения: 1 – хвоинки без пятен; 2 – хвоинки с не­большим числом мелких пятен; 3 – хвоинки с большим числом черных и желтых пятен. Классы усыхания: 1 – на хвоинках нет сухих участков; 2 – на хвоинках усох кончик 2-5 мм; 3 – усохла 1/3 хвоинки; 4 – вся или большая часть хвоинки сухая.

3. Определить продолжительность жизни хвои. Обследовать верху­шечную часть ствола за последние годы: каждая мутовка, считая сверху, – это год жизни (см. рис. 1.1).

4. Провести оценку степени загрязнения воздуха по оценочной шкале, включающей возрастные характеристики хвои, а также классы повреждения хвои на побегах второго года жизни с помощью табл.1.3.

 

Б) В аудиторных условиях

1. Получить у преподавателя задание на карточке.

2. Оценить, пользуясь табл. 1.2, класс повреждения (некроз) и усыхания хвоинок сосны. Занести данные по всем хвоинкам в тетрадь. Провести статистическую обработку данных.

3. Определить продолжительность жизни хвои, используя рис8.

4. Провести экспресс-оценку загрязнения воздуха по классу повреждения хвои на побегах второго года жизни с учетом возраста хвои с помощью табл. 1.3.

Таблица 1.3

Экспресс-оценка загрязнения воздуха (I–VI) с использованием сосны обыкновенной (Pinus sylvestris)

Максимальный возраст хвои	Класс повреждения хвои на побегах второго года жизни
	I	I – II	III
	I	II	III – IV
	II	III	IV
	-	IV	IV-V
	-	IV	V-VI
	-	-	VI

Примечание. I – воздух идеально чистый; II – чистый; III – относительно чистый («норма»); IV – загрязненный («тревога»); V – грязный («опасно»); VI -очень грязный («вредно»); – - невозможные сочетания.

5. Привести в отчете все типы повреждений хвои, указанных в задании; выводы о качестве воздуха (привести расчеты и таблицы). Можно строить трансекты по удаленности от воздействующего фактора.

 

Лабораторная работа № 9

Изучение моделей геометрического и

логистического роста популяций

Цель работы: изучить модели роста численности популяций.

Материалы и оборудование: занятие с использованием компьютера (программа Excel).

Ход работы

Численность популяции определяется в основном двумя противоположными явлениями – рождаемостью и смертностью.

Экспоненциальная кривая "а" (рис. 9) выражает т.н. биотический потенциал популяции Р. Чепмен (1931):

Рис. 9. Экспоненциальная (а) и логистическая (б) кривые роста популяции

 

Биотический потенциал (r) – показатель скорости увеличения численности особей при отсутствии лимитирующих факторов. Выражается величиной прироста популяции за единицу времени в расчете на одну особь. Это потенциальная сила, с котоpой оpганизм способен pазмножаться и выживать в окpужающей его сpеде. Экспоненциальная кривая: .

Более реальный рост численности популяции выражается S-образной зависимостью, которую называют логистической кривой роста "б" (рис.). Уравнение логистической кривой отличается от уравнения экспоненциального роста корректирующим фактором: , где К – максимальное число особей, способных жить в рассматриваемой среде, т. е. асимптота кривой, N – численность популяции. Сопротивление среды – это разница между потенциальной численностью оpганизмов, опpеделяемой биотическим потенциалом и pеально наблюдаемой численностью организмов сpеде.

Задание 1. Изучение модели геометрического роста популяции

Уравнение геометрического роста

где – абсолютная скорость роста численности,

r – биотический потенциал или удельная скорость роста численности,

N – исходная численность.

Будем измерять время в генерациях Δt = 1, тогда прирост численности за одну генерацию ΔN = r N

1. Введите исходные значения, например,

N = 5 в ячейку А1 и r = 0.5 в ячейку С1

2. В ячейке В1 напишите уравнение прироста численности за одну генерацию

, т.е. ввести = А1 С1

Зафиксируйте значение ячейки С1 как константу – r (значок $)

Скопируйте формулу в ячейке В1 и вставьте ее в ячейки В2-В20, пока соответствующие А-ячейки не заполнены, все значения получаются нулевыми.

3. В ячейке А2 напишите уравнение итоговой численности для второй генерации

(N + r N), т.е. = А1+В1

Скопируйте эту формулу и вставьте ее в ячейки А3-А20.

Выделенная колонка А заполняется значениями численности популяции для каждой из 20 генераций.

4. Постройте график роста численности популяции. Для этого выделите ячейки А1-А20 и выберите в меню опцию "Диаграмма". Выберите тип диаграммы – "График". Рассмотрите полученный рисунок.

5. Изучите, как изменится график, при замене значений исходной численности N (ячейка А1) и r – биотический потенциал (ячейка С1). Выясните, какой численности достигнет популяция через 20 генераций при разных значениях N и r (выбирайте значения меньше 1). Испытайте 10 разных комбинаций значений N и r, заполните таблицу:

Таблица 1

Прогноз численности популяции при разных значениях исходной численности (N) и биотического потенциала (r)

N	r	Численность через 20 генераций
…

Задание 2. Изучение модели логистического роста популяции

Уравнение логистической кривой отличается от уравнения экспоненциального роста корректирующим фактором: , где

К – емкость среды – наибольшее число особей, способных жить в данных условиях.

Если численность N мала, по сравнению с K, то выражение в скобках приближается к 1, т.е. уравнение превращается в уравнение геометрического роста. Если численность N близка к К, то выражение в скобках приближается к 0, т.е. рост популяции прекращается.

1. Занесите в ячейки:

D1 – начальную численность популяции N, например, 5

F1 – наибольшее значение плотности популяции – К, например, 200

в С1 – сохраняется значение r = 0,5

2. В ячейке Е1 запишите формулу: , т.е. = C1 D1

Зафиксируйте в формуле значения ячеек С1 и F1 как константы (значок $). Это прирост популяции.

Скопируйте формулу в ячейке Е1 и вставьте ее в ячейку Е2.

Запишите формулу в ячейке D2 = D1+ Е1. Это численность популяции во 2 поколении.

Скопируйте формулы в ячейках D2 и Е2 и вставьте их в ячейки D3- D20 и Е3-Е20.

Полученная колонка цифр D1- D20 отражает изменение численности популяции за 20 генераций.

3. Постройте график роста численности популяции. Для этого выделите ячейки D1- D20 и выберите в меню опцию "Диаграмма". Выберите тип диаграммы – "График". Рассмотрите полученный рисунок.

4. Изучите, как изменится график, при замене значений исходной численности N (ячейка D1), r – биотического потенциала (ячейка С1) и емкости среды К (ячейка F1). Выясните, какие значения параметров К, N и r не приводят к гибели популяций через 20 поколений. Занесите в таблицу 2 десять разных комбинаций значений, приводящих как к росту, так и к гибели популяции:

Таблица 2

Прогноз численности популяции при разных значениях исходной численности (N) и биотического потенциала (r)

N	r	К	Численность через 20 генераций
…

Сделайте вывод о геометрическом и логистическом росте популяций.